merakett ‹ kler ‹ n ‹ z

merak
16/2/6
21:19
Page 1
?
M E R A K
Aynalar›n kabaca üzerine gelen ›fl›¤›, ›fl›n
demetlerini yans›tt›klar›n› biliyoruz.
Dünya üzerindeki en kaliteli elementler
kullan›larak üzerine gelen ›fl›¤› hiç
so¤urmadan ayn› flekilde yans›tacak
kalitede bir ayna yapmak imkanl› m›?
Ya da so¤urma oran› 0’a ne kadar yak›n
bir ayna yap›labilir? E¤er so¤urmas› s›f›r
ya da s›f›ra en yak›n olan ayna
yap›labilir ve 2 tanesi birbirlerine
karfl›l›kl› paralel flekilde konulur ve
aynalardan birine dik aç› ile ›fl›n demeti
(anahtarl›k olarak bir ara moda olan
lazer pointerlar gibi hayal edersek)
gönderir ve ›fl›n demeti aynadan yans›y›p
geri dönmeden ›fl›k kayna¤›n› aradan
çekersek (›fl›¤›n ne kadar h›zl› oldu¤unu
bildi¤imizden iki ayna aras›ndaki
mesafenin ›fl›k kayna¤›n› çekebilecek
kadar uzak oldu¤unu düflünerek) ›fl›¤› iki
ayna aras›nda hapsedebilir miyiz?
Teoride mümkün mü? Uygulamada
mümkün olabilir mi? ‹ki ayna aras›ndaki
hava bofllu¤unun ›fl›n demetlerine
sürtünmede bir etkisi olur mu? Olursa
bu deneyde kullan›lacak ›fl›k için
sürtünmesiz bir ortam yarat›labilir mi?
Yalç›n YAMAN
Önce aynalar›n so¤urma oran›n›n s›f›r yap›l›p
yap›lamayaca¤› sorusunu ele alal›m. Bunun için
de, ›fl›k ve maddenin etkileflimini k›saca aç›klayal›m. Ifl›k bir elektromanyetik dalgad›r. Bu da ›fl›¤›n geçti¤i bölge üzerinde bulunan yüklü parçac›klara elektrik ve manyetik kuvvetler uyguland›¤› anlam›na geliyor. E¤er ›fl›k bir madde üzerine
düflerse, maddenin içindeki elektronlara bu türden fazladan kuvvetler uygulan›yor. Bu nedenle
elektronlar, yapt›klar› ola¤an hareketten farkl›
bir flekilde hareketleniyorlar (genellikle titreflim,
ama bunun ne tür bir hareket oldu¤u önemli de¤il). Bu süreç içinde, ›fl›¤›n tafl›d›¤› enerjinin bir
k›sm›, elektronlara aktar›lm›fl oluyor.
Bundan sonras›nda ne olaca¤›, maddenin
elektronlar›n›n ne özellikler tafl›d›¤›na, k›sacas›
maddenin türüne ba¤l›. E¤er ›fl›ktan aktar›lan
enerji, elektronlar›n bir üst enerji düzeyine geçmesine yetecek miktardaysa, o zaman ›fl›¤›n so¤urulmas› söz konusu. E¤er böyle bir fley mümkün de¤ilse, o zaman elektronun yapt›¤› hareket
sonucu yeni bir elektromanyetik dalga üretilir;
elektronlar kazand›klar› bütün enerjiyi bu yeni
dalgaya aktar›r. K›sacas›, bu durumda elektronlar sadece geçici bir süre için enerji kazan›yorlar.
E¤er madde bir aynaysa, gelen ›fl›k ile, elektronlar›n üretti¤i yeni ›fl›k üst üste bindi¤inde sadece
geriye giden (yani yans›yan) bir dalga olufluyor
(ileri do¤rultuda, iki ›fl›k giriflim nedeniyle birbirlerini tamamen yok ediyor).
‹lkesel olarak, so¤urma oran›n›n s›f›r oldu¤u
ayna malzemelerinin tasarlanmas› mümkün görü-
B‹L‹M ve TEKN‹K 94 Mart 2007
S
a
???
E T T ‹ K L E R ‹ N ‹ Z
d
i
T
u
r
g
u
nüyor; en az›ndan bunun imkans›z oldu¤unu söyleyebilmek için elimizde neden yok. Ama, pratikte bunu gerçeklefltirmek oldukça zor olabilir. Öncelikle, gelen ›fl›¤›n içerdi¤i olas› dalgaboylar›n›
göz önüne alarak, maddenin elektronlar›n›n
enerji düzeylerini hiç so¤urulma olmayacak bir
flekilde ayarlamak mümkün. Örne¤in, ço¤u yal›tkanda en düflük enerji düzeyiyle, bir üst düzey
aras›ndaki fark o kadar büyüktür ki, görünür bölgedeki ›fl›k bu düzeyler aras›nda bir geçifle neden
olamaz. Ama, bütün maddeler yabanc› atomlar
veya hiç olmazsa kristal yap›lar›nda düzensizlikler içerir. Bu tip düzensizlikler civar›nda yerleflmifl baz› elektronlar, so¤urulmay› olanakl› k›lacak enerji düzeylerine sahip olabilir. Veya, maddenin çok az da olsa baz› elektronlar› yüksek
enerji düzeylerinde bulunabilir ve bu düzeylerden
bir so¤urma mümkün olabilir. Son olarak, elektronlar, yans›ma esnas›nda sadece geçici bir süre tafl›d›klar› enerjiyi ›fl›k olarak yay›nlamak yerine, atomlar›n titreflimi gibi baflka enerji formlar›na dönüfltürebilir. Bu olas›l›klar›n hepsi so¤urulmaya yol açar. Bunlar›n etkileri azalt›labilir, ama
tamamen yok edilmeleri mümkün olmayabilir.
Yukar›daki so¤urma mekanizmalar›na ek olarak, ayna yüzeyinin mükemmel düzlükte olmamas› da yans›mada dikkate al›nan kay›plara neden
oluyor. Yüzeydeki atomlar›n, Angström mertebesinde bile olsa topaklanmas› nedeniyle, gelen ›fl›¤›n bir k›sm› çok de¤iflik yönlere yans›yor. E¤er
sadece belli bir do¤rultuda yans›yan ana ›fl›n›n tafl›d›¤› enerjiyi önemsiyorsan›z, bu mekanizma da
ana ›fl›ndan bir enerji kayb›na neden oluyor.
Aynalar›n yans›tt›¤› ›fl›¤›n oran› kesin olarak
1’e eflitlenemese de, özellikle bilimsel araflt›rmalarda kullan›lan baz› aynalarda bu oran› 1’e oldukça yaklaflt›rmak mümkün. Bildi¤imiz aynalarda kullan›lan gümüflte, yans›yan ›fl›ndaki kay›p
kabaca %2 civar›nda. Yüzeyi mümkün oldu¤unca
düzeltilmifl titanyum aynalarda kay›p on binde bire kadar düflürülebiliyor. Bunun d›fl›nda bir de ince yal›tkan filmlerin üst üste yerlefltirilmesiyle elde edilen dielektrik aynalar var. Genellikle lazer-
t
lerde kullan›lan bu tip aynalarda sadece seçilen
bir dalgaboyunda gelen ›fl›¤›n yans›t›lmas› hedeflenir (malzeme di¤er ›fl›klara karfl› k›smen saydamd›r). Bu tür aynalarda, kay›p oran›n› milyonda bire kadar düflürmek mümkün.
Fakat, bu kadar düflük kay›p oranlar›nda bile, sorudaki deneyi sadece duyular›m›zla alg›layabilece¤imiz bir flekilde yapamay›z. Örne¤in, karfl›l›kl› konulan aynalar›n aras›ndaki mesafe 1
metre olsun. Bu durumda, ›fl›n aynalara saniyede
300 milyon kez çarpacakt›r. Her bir çarpmada
›fl›k enerjisinin milyonda biri kayboluyorsa, 1 milyon çarpmadan sonra ilk enerjinin sadece %
37’lik bir k›sm›n›n kald›¤›n› herhangi bir hesap
makinesi yard›m›yla bulabilirsiniz. Ve yine hesaplayarak, 300 milyon çarpmadan sonra, yani 1 saniye sonra, ana ›fl›nda kalan enerjinin tamamen
ihmal edilebilecek derecede düfltü¤ünü de gösterebilirsiniz. Dolay›s›yla, çok küçük görünen milyonda bir kay›p oranlar› bile insan ölçe¤iyle karfl›laflt›r›ld›¤›nda hala çok büyük.
Buna karfl›n, ›fl›¤› belli bir bölgeye hapsetmek
mümkün, en az›ndan k›sa bir süre için. Karfl›l›kl›
yerlefltirilmifl iki düz ayna (tümsek veya çukur da
mümkün) aras›na da hapsetmek mümkün. Zaten,
lazer ›fl›¤›n›n üretiminde bu yöntem kullan›l›yor.
E¤er ayna parametreleri özel olarak seçilmiflse
(http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_cavity adresine bir göz atabilirsiniz), o zaman bir ›fl›n birkaç kez yans›d›ktan sonra tekrar ayn› yerden geçiyor, dolay›s›yla da uzun bir süre aynalar aras›nda kalmaya devam ediyor. Burada da aynalardan
yans›ma s›ras›nda kay›plar var. Ayr›ca iki ayna
aras›na yerlefltirilen malzeme de ›fl›¤›n bir k›sm›n› so¤uruyor. Fakat lazerlerde bu malzeme ›fl›¤›
güçlendirici bir ortam. Yani ortamdan sürekli yeni fotonlar üretilip, aynalar aras›nda gidip gelen
›fl›na enerji aktar›l›yor. Bu da ›fl›¤›n u¤rad›¤›
enerji kayb›n› fazlas›yla karfl›l›yor. Üstelik lazerlerde, aynalardan birinin k›smen saydam olmas›
gerekiyor. Böylece, ortamda güçlendirilen ›fl›¤›n
bir k›sm› d›flar› s›z›yor ve uygulamalarda kullan›l›yor.